Глава 12. Блуждающие миры и гравитационное микролинзирование

 

People are strange when you’re a stranger.

THE DOORS. PEOPLE ARE STRANGE

 

 

Все это время мы говорили о планетах как об очевидном и не требующем разъяснения понятии. На самом деле это не так. Можно сказать, что вопрос о том, что такое планета, в научном сообществе начал ставиться с тех самых пор, как были открыты первые экзопланеты – новые, странные миры, не похожие ни на что в Солнечной системе. Для ответа на этот вопрос в 1999 году создали рабочую группу по внесолнечным планетам, которая должна была помочь международному научному сообществу определиться с тем, что в дальнейшем будет называться планетой. Через несколько лет, в 2003 году, она наконец смогла создать временное определение планеты, чтобы в будущем, когда это заставят сделать очередные открытия, к нему вернуться.

Открытия не заставили себя долго ждать. Буквально в этом же 2003 году астроном Майкл Браун с коллегами обнаружил в поясе Койпера Седну (радиус 500 км)92, а в 2005 году – Эриду (радиус 1 100 км)93. Далее последовали открытия чуть меньших, чем Эрида, объектов: Макемаке и Хаумеа. Дилемму, которая вслед за этими событиями встала перед учеными, можно сформулировать так: необходимо было либо добавить в Солнечную систему четыре новые планеты и быть готовыми к тому, что с открытием очередных объектов в поясе Койпера количество планет в нашей звездной системе может существенно возрасти, либо же изменить определение понятия «планета» таким образом, чтобы большого числа новых планет не появлялось.

26 встреча Международного астрономического союза (МАС) была организована в Праге в августе 2006 года как раз для решения этой дилеммы и выработки нового определения термина «планета». В последний день объявили голосование, и победила следующая формулировка: планета – это тело, обращающееся вокруг Солнца, достаточно массивное, чтобы поддерживать гидростатическое равновесие (иметь форму, близкую к шарообразной) и расчищать свою орбиту от других объектов.

Первые два критерия астрономы неявно использовали чуть ли не с XVIII века, когда планетой называли любое крупное тело на орбите вокруг Солнца, третий же критерий оказался совершенно новым. В результате в 2006 году впервые произошло не увеличение, а уменьшение числа планет: Плутон исключили из перечня последних (поскольку он не соответствует третьему критерию). Также были введены еще два класса объектов Солнечной системы. Представители первого из них, карликовые планеты, отличаются от обычных тем, что третий критерий в их определении звучит так: не являются спутником другой планеты[64]. Второй же класс включил в себя все, что осталось: малые тела Солнечной системы. Ну а если в первом критерии слово «Солнце» заменить на «звезда» мы получим определение понятия «экзопланета».

 

* * *

 

В первых главах я крупными мазками нарисовал картину рождения планетных систем в протопланетном диске. Но на этом переустройство звездной системы не заканчивается. Материала, который содержится в протопланетном диске, достаточно для создания гораздо большего числа планет, чем астрономы находят вокруг звезд. Часть этого материала действительно рассеивается в пространстве, а часть образует планетезимали или планеты. В восьмой главе была описана гипотеза о миграции, согласно которой в первые миллионы лет газовые гиганты, уже успевшие сформироваться, взаимодействуя с газом, меняют свои орбиты. Во время этой перестройки происходят катастрофические события: сталкиваются и разрушаются миры, многие планетезимали выбрасываются из диска. На начальных этапах эволюции протопланетного диска даже сформировавшиеся планеты могут покинуть систему родительской звезды навсегда. На сегодняшний день различными методами найдено 20 кандидатов в такие свободно плавающие планеты94.

Сколько и какие планеты покинули Солнечную систему, мы не узнаем уже, наверное, никогда. Понятно, что планеты с малой массой с большей вероятностью могут быть выброшены из системы, чем гигантские планеты вроде Юпитера. Означает ли это, что в Солнечной системе всегда было четыре газовых гиганта? Нет. Как показало одно из исследований 2011 года, модели планетной системы, включающие пять газовых гигантов, могут объяснить орбиты Земли и Марса лучше, чем модели только с четырьмя95. Возможно, планета размером с Нептун сформировалась и была выброшена из Солнечной системы на заре времен. Что касается планет земной группы, то нашу систему могло покинуть до десяти планет размером с Марс. Конечно, компьютерные модели – это ни в коем случае не доказательства, но они иллюстрируют возможности.

Какова судьба этих планет-странников? В первую очередь она определяется их строением, потому что при отсутствии внешних источников энергии их место занимают внутренние (если они, конечно, есть). Если выброшенная планета имеет марсианские размеры, она остынет достаточно быстро – в первые сотни миллионов лет своей жизни[65]. Недра более крупных планет, размером с Землю и больше, будут остывать миллиарды лет, подогреваемые жаром конвективных потоков в мантии и энергией распада радиоактивных элементов. Если тело представляет собой спутник выброшенного в свободное плавание газового гиганта, то энергия приливной деформации позволит его недрам сохранять высокие температуры практически безгранично долго, а в подледных океанах планеты могут быть все условия для существования жизни.

Лишенные родительской звезды планеты – их называют блуждающими планетами, а также планетами-бродягами или планетами-сиротами – долгое время существовали лишь на бумаге. Но однажды такую планету наконец удалось обнаружить.

Двумя самыми эффективными методами поиска экзопланет являются транзитный метод и метод радиальных скоростей. Так как оба ориентированы на отслеживание звездного света, очевидно, что для поиска блуждающих планет они не подходят. Некоторые еще не остывшие блуждающие планеты являются источниками излучения – невидимого глазу инфракрасного света. Поиск источников инфракрасного излучения для обнаружения планет-бродяг в нашей галактике был бы хорошей идеей, если бы не точность измерительной аппаратуры, которая оставляет большой простор для интерпретации наблюдений.

Первой подтвержденной блуждающей планетой, статус которой у большинства астрофизиков не вызывает сомнений, стал объект, обнаруженный в 2013 году и получивший причудливое название PSO J 318.5-2296. Цифры – это координаты объекта на небе, а PSO – сокращение от Pan-STARRS  1 Object, что значит «объект, обнаруженный телескопом Pan-STARRS  1».

Телескоп Pan-STARRS  1 входит в группу из двух обзорных телескопов (всего планируется четыре), диаметр главного зеркала каждого из которых равен 1,8 м. Комплекс расположен на вершине вулкана Халеакала на острове Мауи, принадлежащем Гавайскому архипелагу. Особенность этих телескопов состоит в том, что они не «смотрят» в одну точку, а охватывают большой участок неба с угловым диаметром около 3° (для сравнения: видимый угловой диаметр Луны приблизительно 0,5°). Несколько раз в месяц с помощью телескопов Pan-STARRS  ученые получают изображения неба, и каждое из них состоит из полутора миллиардов пикселей, а общий объем собранных за ночь данных может достигать 10 ТБ. Специальное программное обеспечение анализирует эти изображения, сравнивает их с каталогом неподвижных звезд и ищет те объекты, которые изменили свое положение или яркость.

Основная задача Pan-STARRS состоит в том, чтобы находить на небе астероиды. Если вы следите за астрономическими новостями, то наверняка слышали о первом межзвездном астероиде 1I/Oumuamua, обнаруженном в октябре 2017 года как раз этой системой. Между тем охват большой площади неба и диапазон электромагнитных волн, в котором работает Pan-STARRS, позволяют использовать ее и в других проектах – в частности, для поиска коричневых карликов по характерному тепловому излучению.

 

 

Объект PSO J 318.5-22, находящийся в 80 св. годах от Земли, впервые привлек внимание ученых в 2010 году своим цветом: значительно более красным, чем у любого ранее известного коричневого карлика. Что более странно, его цветовые характеристики оказались очень близки к тем, что наблюдаются у молодых планет с сильно запыленными атмосферами в протопланетном диске, однако никакой звезды рядом с PSO J 318.5-22 нет. В статье 2013 года ученые, обнаружившие этот странный объект, из осторожности даже не употребляли термин «блуждающая планета», а ограничились тем, что рассказали о свойствах нового класса субзвездных объектов. Что именно произошло с PSO J 318.5-22 и почему она потеряла свою родительскую звезду – скорее всего, для нас это останется тайной. Но главное, что мы поняли благодаря ее обнаружению, это то, что одиночные блуждающие планеты – вполне реальное явление в Галактике.

Можем ли мы выяснить, откуда родом PSO J 318.5-22? Вообще говоря, нам вряд ли когда-нибудь удастся точно определить родительские звезды блуждающих планет. Ведь вместо того чтобы вращаться вокруг звезды, они вращаются вокруг галактического центра сколь угодно далеко от своей родительской звезды. Но в случае с PSO J 318.5-22 нам повезло. Рядом с тем местом, где ее обнаружили, находится скопление, известное как движущаяся группа звезд Беты Живописца. Это скопление молодых звезд, названное именем самой яркой звезды в его составе и движущееся с сопоставимой с PSO J 318.5-22 скоростью. Логичным представляется предположение, что наша героиня родом из этого скопления. Видимо, она сформировалась рядом с одной из звезд и была выброшена вовне на ранних этапах эволюции протопланетного диска в результате взаимодействия с другой планетой или соседней звездой. Если это действительно так, то сравнение PSO J 318.5-22 со звездами Беты Живописца позволяет определить возраст планеты: от 8 до 20 миллионов лет. А благодаря имеющимся в нашем распоряжении моделям эволюции субзвездных объектов можно установить и некоторые физические свойства PSO J 318.5-22. Так, ее масса составляет 6–7 MJ (что намного меньше типичных масс красных карликов!), а температура внешних слоев атмосферы приблизительно равна 1 150 °C. Как видите, по всем характеристикам это совсем юный, пока не остывший газовый гигант.

Еще один вопрос, который возникает в связи с обнаружением блуждающих планет, – всегда ли к их появлению приводят планетарные катастрофы? Возможен ли процесс образования планет из межзвездного газа?

Например, что вы скажете о следующей гипотезе? Рассматривая изображения некоторых областей активного звездообразования, можно увидеть небольшие темные пятнышки на фоне излучения туманности. Особенно ими богаты туманности Розетка и IC 1805 (известна также как туманность Сердце). Гёста Гам из Стокгольмской обсерватории в 2007 году предложил называть эти образования глобулеттами. На сегодняшний день найдено уже около тысячи глобулетт в самых разных туманностях. Они представляют собой плотные холодные облака из нейтрального газа. Как правило, глобулетты имеют сферическую форму, их радиус от 300 до 5 000 а. е., а масса вполне сопоставима с массой планет-гигантов или коричневых карликов (от нескольких единиц до нескольких десятков масс Юпитера). Авторы, опубликовавшие в 2007 году статью по результатам исследования таких образований в туманности Розетка, предположили, что из них могут образовываться блуждающие планеты97.

Происхождение самих глобулетт до сих пор неясно. Мы знаем, что подобные глобулеттам плотные облака газа и пыли могут образовываться в околозвездных дисках в результате гравитационной неустойчивости. Если это произошло, то в протопланетном диске может зажечься второй звездный компаньон или сформироваться планета-гигант. Но в туманностях межзвездный газ обладает гораздо меньшей плотностью, и гравитационные неустойчивости, как считалось, образовываться в нем не могут. Однако существование маломассивных свободно парящих коричневых карликов и блуждающих планет заставляет пересмотреть эти представления. Видимо, имеется механизм достижения газом большей плотности, но его детали пока ускользают от нашего внимания. Усложняет поиск разгадки и то, что трудно проследить закономерности того, в каких именно местах газовой туманности наблюдаются глобулетты. Многие из них изолированы, расположены далеко от пылевых столбов и областей повышенной плотности. Другие же связаны тонкими нитями с крупными молекулярными облаками и даже друг с другом.

 

Рисунок 21. Глобулетты в туманности Розетка. Это композиция из изображений, полученных с помощью телескопа «Канада – Франция – Гавайи» через фильтры для инфракрасного света

 

Ученые, которые занимаются этим вопросом, выдвигают совершенно разные гипотезы. Одни говорят, что глобулетты могут формироваться в результате фрагментации молекулярных облаков подобных тем, что приводят к образованию звезд. Другие считают глобулетты плотными сгустками газа и пыли, которые выбрасываются из околозвездных протопланетных дисков, подобно планетам. А третьи – что глобулетты образуются на границе расширяющихся пузырей горячего газа, которые формируются, когда загорается звезда. Плотность вещества на этой границе настолько велика, что оно может фрагментироваться в отдельные облака.

Образовавшиеся глобулетты «живут» в очень суровой межзвездной среде. Они подвергаются активному давлению излучения звезд и гравитационным возмущениям со стороны молодых звезд, через них проходят ударные волны и потоки газа. Время их жизни, по разным оценкам, составляет от десятков тысяч до миллионов лет. Те из них, которым повезет не рассеяться, могут коллапсировать и сформировать блуждающую планету или коричневого карлика. В 2013 году Гам с коллегами, изучая снимки туманности Розетка в ближнем инфракрасном диапазоне, нашел плотные ядра в некоторых из самых больших глобулетт98. Это еще раз подтверждает гипотезу о том, что некоторые свободно блуждающие планеты, вероятнее всего, образуются из глобулетт. Зная, как часто в туманностях встречаются глобулетты, можно вычислить их число в Галактике. Если даже всего 10 % из тех глобулетт, что существуют в настоящий момент, коллапсируют в блуждающие планеты, то число последних возрастет на 10–20 миллиардов.

В 2014 году, анализируя архивные данные телескопа «Хаббл», ученые обнаружили газовый гигант HD 106906 b, вращающийся вокруг одной из звезд в созвездии Южный Крест99. И к этому гиганту есть ряд вопросов. Во-первых, его родительская звезда, HD 106906, очень молода. Ее возраст оценивается приблизительно в 13 миллионов лет. Обычно к этому времени у звезды еще наблюдаются остатки протопланетного диска – но в данном случае их нет, как нет и других планет в системе. Во-вторых, HD 106906 b находится невероятно далеко от своей звезды – в 650 а. е. (для сравнения: радиус орбиты Нептуна равен всего лишь 30 а. е.). На таком расстоянии в протопланетном диске просто не может быть достаточного количества вещества, чтобы создать столь массивную планету.

Существует два возможных объяснения особенностей HD 106906 b. Первое гласит, что уже в самом начале своей эволюции система HD 106906 формировалась как двойная система, но вещества, которое досталось второму компаньону, оказалось слишком мало, чтобы в нем смогли начаться ядерные реакции – и образовался газовый гигант. Проблема с этой гипотезой в том, что это крайне нетипичная ситуация. Обычно в двойных системах звезды имеют сопоставимые массы. Масса же HD 106906 b составляет лишь 1 % от массы звезды, вокруг которой она обращается.

Вторая гипотеза заключается в том, что HD 106906 b некогда была блуждающей планетой, выброшенной родительской звездой, но почти сразу ее захватила другая звезда. Каким бы маловероятным ни казался такой сценарий, принципиальных возражений против него у специалистов нет. Сложно сказать, верна ли эта гипотеза, но сама идея того, что планеты могут путешествовать по Галактике от звезды к звезде, словно на перекладных, очень интригующая. В областях с высокой плотностью звезд количество таких захватов и перезахватов одной планеты может исчисляться десятками.

Инфракрасные детекторы помогают находить только молодые, еще не успевшие остыть, блуждающие планеты, излучающие в пространство много тепла. Пользуясь лишь этим методом, мы получим небольшую и, очевидно, весьма ограниченную выборку блуждающих планет. Большинство же из них, известных на настоящий момент, удалось обнаружить с помощью метода гравитационного микролинзирования.

 

Оливер Лодж

 

Явление природы, которое лежит в основе этого метода, было предсказано Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности. В соответствии с ней, когда луч света проходит вблизи любого массивного объекта, например звезды, галактики или скопления галактик, он отклоняется от прямолинейного пути. По выражению физика Оливера Лоджа, «гравитационное поле [звезды] действует как линза, но не имеет фокусной длины». В 1924 году русский физик Орест Хвольсон опубликовал работу, в которой показал, что отклонение луча света массивной линзой, такой как галактика, позволяет далекому наблюдателю увидеть второе изображение источника, а в некоторых случаях, когда источник света, линзирующий объект, и наблюдатель находятся на одной прямой, источник превращается для наблюдателя в кольцо. Такие кольца принято именовать кольцами Эйнштейна, хотя сам Эйнштейн и не подозревал об их существовании. Редко можно услышать термин «кольца Хвольсона – Эйнштейна». Если же масса линзы небольшая, кольцо Эйнштейна вырождается в кратковременное повышение яркости источника – это так называемое событие микролинзирования. Поиск и исследование таких событий, используемых для измерения скрытых от наблюдателя масс, называется методом гравитационного микролинзирования.

 

Орест Хвольсон

 

Этот метод позволяет измерять некоторые характеристики звезд-линз, например их массу, с точностью, намного превышающей ту, какой можно достигнуть любым другим астрофизическим методом. И именно по этой причине метод гравитационного микролинзирования стал единственным способом, с помощью которого есть шанс обнаружить блуждающие планеты, похожие на Землю.

Нужна большая удача, чтобы наблюдатель с Земли увидел событие микролинзирования, вызванное блуждающей планетой, – такие явления очень редки и длятся всего 1–2 суток.

 

 

Сегодня существует два проекта, направленных на поиск событий микролинзирования, – OGLE и МОА [66]. Наиболее результативным из них пока является OGLE. Команда ученых во главе с Пшемеком Мрозом провела обработку 2 617 событий микролинзирования, зарегистрированных в проекте OGLE с 2010 по 2015 год, и выяснила, что 10 из них, вероятно, вызваны блуждающими планетами100. Сам факт, что ученые вообще смогли обнаружить блуждающие планеты, указывает на то, что их число должно измеряться миллиардами. Лучше всего имеющуюся частоту наблюдений объясняют модели, в которых на каждые четыре звезды в Галактике приходится одна планета с массой Юпитера. Это говорит о существовании как минимум 50 миллиардов планет-бродяг. К ним мы должны прибавить блуждающие планеты земной массы, на наличие которых указывают события микролинзирования длительностью в половину суток или даже меньше. Они еще менее редки, чем события микролинзирования, вызванные планетами размером с Юпитер. Между тем команда Мроза выявила два таких события: в 2012 и 2018 годах. Сколько же тогда в Галактике блуждающих планет земной массы? Мроз дает осторожную оценку: «Свободно плавающие планеты земной массы встречаются в Млечном Пути чаще, чем звезды». И это согласуется с независимыми численными моделями, которые обсуждались в начале главы.

Ну а что можно сказать о спутниках блуждающих планет? Коричневый карлик OTS 44 был впервые обнаружен по его тепловому излучению в 1998 году в области активного звездообразования Хамелеон I101. Его масса, по приблизительным оценкам, составляет около 12 MJ, а значит, с большой вероятностью это не субзвездный объект, а самая настоящая блуждающая планета-гигант. Самым примечательным фактом является то, что этот объект окружен диском из пыли и газа массой до 0,63 M⊕. Я предлагаю вам переместиться в недалекое будущее этого объекта и пофантазировать о том, какие условия могут сложиться на его формирующихся сейчас спутниках.

Скорее всего, OTS 44 сформировалась за снеговой линией своей звезды, что обогатит часть ее будущих спутников водой. Некоторые из них наверняка имеют массу Энцелада или бо́льшую, а масса других может достигать массы Земли. После образования в спутниках тяжелые элементы постепенно опускаются к ядру, а более легкие всплывают к коре. В конце концов около поверхности остаются легкие элементы, в том числе вода. Гравитационное возмущение, которое спутники оказывают друг на друга, никогда не позволит их орбитам стать абсолютно круглыми. То приближаясь к газовому гиганту, то удаляясь от него, они будут разогревать свои недра.

Слишком большой эксцентриситет орбиты вызовет слишком интенсивный разогрев спутников, и водяной лед с их поверхности испарится (как это произошло на 55 Рака е или на Ио, спутнике Юпитера). Если же эксцентриситет окажется почти нулевым, вся вода замерзнет. Пусть нам повезет, и у самого большого спутника OTS 44 эксцентриситет будет как раз «впору». Тогда, напоминающий Европу или Энцелад, он весь будет покрыт ледяной оболочкой, а под ней спрячется океан жидкой воды.

Мы еще не понимаем, каков механизм зарождения жизни, но предположим, что в океане на этом спутнике она однажды возникнет. Ведь нет никаких известных нам препятствий этому. Энергию для жизнедеятельности организмы будут черпать не из света своего светила, а из тепла, поступающего из недр планеты. Подводные вулканы будут снабжать этот мир необходимыми минералами. Но самое главное, для эволюции неживой материи в живую здесь в запасе есть миллиарды и миллиарды лет. Ничто не сможет этому помешать: ни падение огромного метеорита, ни смерть родительской звезды (которой просто нет). Ученые с этой планеты, если на ней возникнет разумная жизнь, с горечью будут смотреть на Землю и ей подобные миры, хрупкие, подверженные стольким напастям… Честно говоря, будь у жизни выбор, где зародиться, она бы вряд ли выбрала планету, похожую на Землю.

Теплом, поступающим от расплавленного ядра, будет нагреваться как поверхность, так и атмосфера спутника (давайте предположим, что массы спутника хватит, чтобы ее удержать). Мы даже можем представить себе экзотический сценарий, в котором парниковый эффект оказывается настолько сильным, что растапливает поверхностные льды и высвобождает океаны. Жизнь, которая здесь возникнет, будет лишена глаз за ненадобностью, или же она увидит мир в инфракрасном диапазоне. Мир, всегда погруженный в ночь, без смены времен года. Под всегда подвижными и безо всяких созвездий небесами появится удивительная, необыкновенная природа.

Существование блуждающих планет, их невероятное число, сравнимое с количеством звезд в Галактике и, возможно, лишь немногим уступающее количеству обычных планет, переворачивает наше представление о Млечном Пути и о том, в скольких его уголках может быть жизнь. Экзопланеты вокруг своих звезд уже не играют главную роль в этом спектакле жизни – они теперь на равных с несущимися в темноте Галактики планетами-бродягами.